Title: Momentum-dependent magnon lifetime in the metallic non-collinear triangular antiferromagnet CrB2
금속의 자기적 성질을 이해하는 것은 응집물질물리학에서 아직 해결되지 않은 중요한 문제 중 하나이다. 특히 금속 자성체의 스핀 동역학(spin dynamics)을 설명하는 이론은 아직 잘 정립되지 않았으며, 절연체의 자성을 설명하던 방식인 Heisenberg model이 선형 근사 수준(linear spin-wave theory)에서 적용될 수 있다는 것만 알려져 있었다. 본 연구에서는 비동일선상 자기 정렬(non-collinear magnetic order)을 가지는 반강자성 금속 CrB₂의 스핀 동역학을 비탄성 중성자 산란 실험을 통해 성공적으로 관측하였다. 우리는 이를 통해 CrB₂의 마그논(magnon)이 운동량에 의존하는 유한한 수명(lifetime)을 가진다는 것을 확인하였다. 또한 이론 계산으로 관측한 마그논 붕괴(decay)의 운동량 의존성이 마그논-마그논 상호작용에 의한 붕괴(two-magnon decay)가 예측하는 운동량 의존성과 일치함을 보였다. 이는 금속 자성체에서도 선형 스핀파 이론을 넘어선 마그논-마그논 상호작용이 존재함을 입증한 최초의 연구결과로, 금속에서 발현되는 자성과 그 스핀 동역학을 이해하는 데 앞으로 도움이 될 것이다.

Abstract: Noncollinear magnetic order arises for various reasons in several magnetic systems and exhibits interesting spin dynamics. Despite its ubiquitous presence, little is known of how magnons, otherwise stable quasiparticles, decay in these systems, particularly in metallic magnets. Using inelastic neutron scattering, we examine the magnetic excitation spectra in a metallic noncollinear antiferromagnet CrB2, in which Cr atoms form a triangular lattice and display incommensurate magnetic order. Our data show intrinsic magnon damping and continuumlike excitations that cannot be explained by linear spin wave theory. The intrinsic magnon linewidth Γ(q,E_q) shows very unusual momentum dependence, which our analysis shows to originate from the combination of two-magnon decay and the Stoner continuum. By comparing the theoretical predictions with the experiments, we identify where in the momentum and energy space one of the two factors becomes more dominant. Our work constitutes a rare comprehensive study of the spin dynamics in metallic noncollinear antiferromagnets. It reveals, for the first time, definite experimental evidence of the higher-order effects in metallic antiferromagnets

참여 연구원: 박평제, 박기수, 김태훈, 이기훈, 정재홍, 박제근

Physical Review Letters 게재

Link1: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.027202#